Интернет-трафик постоянно растет, потому как многие сервисы, такие как поиск, торговля, развлечения и т. д., все больше предоставляются через цифровую онлайн инфраструктуру. Поэтому, сетевая инфраструктура, которая соединяет вычислительные серверы, ускорители и хранилище, должна адаптироваться к экспоненциальному росту пропускной способности.
Сердцем любого сетевого оборудования является микросхема коммутатора, которую необходимо масштабировать для удовлетворения требований к пропускной способности. Однако увеличение размера полупроводникового коммутатора создает новые проблемы с точки зрения стоимости, мощности и охлаждения.
Основными факторами, влияющими на стоимость и мощность коммутатора, являются пропускная способность, возможности и масштабирование, а также гибкость. В этой статье анализируются различные составляющие микросхемы коммутатора, а именно сопроцессор пакетов, диспетчер трафика и интерфейсы, а также их влияние на микросхему коммутатора при их масштабировании.
Пакетные сопроцессоры
Этот компонент
- анализирует заголовки пакетов
- выполняет поиск
- определяет интерфейс пересылки
- определяет действия по модификации пакета
- соответствующим образом изменяет пакет
Большинство реализаций с высокой пропускной способностью используют конвейерную конструкцию из-за меньшей площади и меньшей мощности, что обусловлено меньшей сложностью разводки. Масштабирование полосы пропускания выполняется с помощью создания нескольких конвейеров. Следовательно, существует прямая корреляция между пропускной способностью и количеством используемых конвейеров.
Сложность функции определяет глубину конвейера, а масштаб базы данных значительно влияет функцию поиска в базах данных. Программируемый конвейер, вероятно, потребует в 1,5-2 раза больше площади/мощности по сравнению с фиксированной реализацией. Хотя программируемые конвейеры гибки, но обладают относительно большей мощностью и задержкой, Broadcom продолжает инвестировать в фиксированные и программируемые конвейеры, оптимизированные для различных сегментов рынка.
Инновации в технологии поисковой памяти на кристалле, обеспечивающие более высокую степень совместного использования, являются ключом к увеличению пропускной способности обработки пакетов.
Вместо того, чтобы удваивать область памяти для дублирования баз данных на канал, можно спроектировать память, позволяющую осуществлять множественный доступ по цене лучше, чем в 2 раза.
Такие методы, как алгоритмический LPM (совпадение самого длинного префикса) и алгоритмический ACL (список контроля доступа), могут значительно сжать поисковые базы данных и уменьшить их размер и мощность.
Даже при увеличении совместного использования баз данных по-прежнему существует проблема доступа к этим базам данных, что обычно требует множества этапов конвейера и увеличивает время ожидания и затрачиваемую мощность. Необходимо учитывать компромисс между централизацией баз данных и их локализацией рядом с функцией доступа.
Диспетчер трафика данных
Этот компонент отвечает за организацию очередей, качество обслуживания и управление перегрузкой. Он состоит из
- внутренней памяти большого размера или комбинации внутренней
- внешней памяти для хранения входящих пакетов
- функций постановки в очередь для постановки пакетов в память
- планировщика для планирования пакетов из разных очередей на основе желаемых пользователем политик
Пропускная способность является основным фактором, влияющим на стоимость и мощность диспетчера трафика. По мере увеличения полосы пропускания возрастает сложность данных пакетной памяти и структур управления. Архитектуры с общей памятью позволяют лучше поглощать пакеты и повышать эффективность. Однако проблемы возникают за счет сложных структур управления.
Broadcom по-прежнему уделяет приоритетное внимание поглощению всплесков общей памяти, а не простоте реализации. Инновации в микроархитектуре и технологии интегрированной памяти жизненно важны для увеличения пропускной способности.
Broadcom внедряет новаторские методы, такие как группирование управляющих решений для уменьшения пропускной способности управления, статистический доступ к памяти, частично настраиваемые схемы путей данных и дизайн памяти для значительного повышения эффективности.
Некоторым приложениям, особенно Data Center Edge и Service Provider Access , требуется большой буфер пакетов размером в ГБ, что лучше реализовать с использованием технологии памяти DRAM . Однако пропускная способность памяти DRAM не масштабируется с той же скоростью, что и пропускная способность коммутатора.
Из-за ограничений технологий пакета/интерпозера невозможно поддерживать многие устройства DRAM . Для преодоления ограничений памяти необходимы инновации в микроархитектуре, обеспечивающие превышение лимита пропускной способности DRAM и, возможно, трехмерное наложение памяти.
Интерфейсы
Основным компонентом, определяющим стоимость и мощность интерфейса, является SerDes ( Serializer Deserializer ). Для SerDes Long Reach ( LR ) мощность была снижена с ~ 7 пдж/бит в 25 G NRZ до ~ 4 пдж/бит в PAM 4 56 Гбит/с из-за нововведений в модуляции и схемотехнике. Однако при переходе на скорость 112 Гбит/с мощность SerDes увеличилась до ~ 7 пдж/бит, что является основной характеристикой транзистора, и разработка существенно не улучшилась с технологией процесса.
В настоящее время отрасль рассматривает 224 Гбит/с в качестве следующего обновления скорости, в основном из-за ограничений пакета ASIC коммутатора для достижения пропускной способности 100 Тбит/с и потенциально более дешевой оптики с лямбда 200 Гбит/с. В настоящее время рассматриваются различные методы модуляции ( PAM 4/6/8 и QAM ). Также ожидается, что для достижения приемлемого BER требуется более сильный FEC (такой как BCH FEC ), и это может означать двукратное увеличение области FEC (Forward Error Correction) в коммутаторе.
Плотно упакованная оптика поможет снизить общую мощность системы и позволит увеличить пропускную способность интерфейса. Однако проблема будет заключаться в производстве решения в больших объемах и с низкой стоимостью на уровне упаковки и всей системы. Решения с несколькими источниками становятся более сложными по сравнению с решением со съемной оптикой.
Будь то компактно упакованная оптика или более совершенные методы модуляции, меньшие потери материала и лучший FEC , отрасли необходимо решить проблему полосы пропускания интерфейса, чтобы обеспечить масштабирование потока данных для будущих поколений.
Проблемы масштабирования
Электроэнергия становится жизненно важной проблемой при масштабировании пропускной способности сетевого коммутатора. Важны как мощность кристалла коммутатора, так и мощность системы переключения.
Бюджет мощности системы в целом, а также охлаждение системы определяют максимально возможную мощность сетевого коммутатора. Решения с несколькими кристаллами для более высокой пропускной способности коммутатора требуют более высокой мощности, поскольку интерфейс между кристаллами добавляет мощность к корпусу (например, подход PHY Tile ).
SerDes с меньшим радиусом действия ( VSR ) действительно снижает мощность чипа коммутатора, но увеличивает мощность системы, поскольку нам необходимо учитывать повторные таймеры.
Комбинированная оптика с прямым приводом позволяет снизить энергопотребление системы и, вероятно, предлагает лучшие решения по общей стоимости и мощности в будущем.
С точки зрения технологии обработки самой большой проблемой является масштабирование проводов или их отсутствие. По мере того, как технологический процесс изменяется от 16 нм до 7 нм до 5 нм, так называемая задняя часть (со стороны разъемов) или металлизация не масштабируются, а в некоторых случаях остаются неизменными (одинаковое сопротивление на единицу).
В то время как полупроводниковая промышленность находит способы упаковать больше транзисторов, уменьшая размер транзистора и разрабатывая решения 2.1 D , 2.5 D и даже 3 D , проводная система остается больным местом, препятствующим полному увеличению этой плотности. Для повышения эффективности в кремниевой промышленности необходимо решить проблему масштабирования плотности разводки.
Чтобы решить проблемы масштабируемых полупроводниковых коммутаторов, Broadcom продолжает инвестировать в технологии для разработки и создания оптимизированных продуктов для рыночных сегментов с лучшей экономикой, мощностью кремния, мощностью системы и высокой производительностью.
